基于GPU加速的三维堆芯物理程序STORK的开发与验证

基于小型多GPU计算平台,采用二维全堆逐层特征线方法(MOC)和三维逐棒(pin-by-pin)三阶简化球谐函数方法(SP3方法)相耦合的方式开发了堆芯三维输运中子学计算程序STORK。在方法论方面,首先通过对堆芯各轴向层的二维MOC输运计算在线产生栅元均匀化截面以及超级均匀化修正因子(SPH因子),然后采用SP3方法进行pin-by-pin三维堆芯计算。在程序开发方面,采用了CUDA、C++和Python的混合编程,且所有计算模块都基于CUDA/C++开发,并进行了大量的性能优化。通过对C5G7三维插棒基准题和VERA基准题的验证表明,与国际上同类中子学计算软件相比,基于CPU/GPU异构系统开发的STORK程序在计算效率和计算成本方面都具有明显优势。     

异构系统三维高保真堆芯中子输运计算程序ALPHA研发进展

ALPHA是哈尔滨工程大学核动力仿真研究中心研发的基于异构系统的三维高保真堆芯中子输运计算程序。ALPHA程序基于性能优化的二维特征线装载图形处理单元（GPU）并行计算核心,基于MPI+CUDA混合编程模型实现粗细粒度的异构系统多节点并行并应用通信掩盖优化。ALPHA的共振计算模型采用原创的细群 子群二级离散策略并采用多群求解核心适配异构系统。ALPHA采用MOC EX实现三维全堆芯中子输运异构并行计算及GPU并行的粗网有限差分加速。数值结果表明,ALPHA程序在保证计算精度的前提下,具备较高的并行效率和一定的可扩展性,有望实现数值反应堆中中子学计算的轻量化与工程化应用。     

基于GPU并行的二维时空中子动力学MOC程序开发及验证

目前特征线方法（MOC）被广泛应用于反应堆精细中子输运计算。为提高基于MOC方法的时空中子动力学输运计算效率,本文开发了ALPHA程序的动力学计算模块,实现了基于GPU并行的二维精细动力学输运计算。同时,实现了基于GPU并行的CMFD加速计算,并对TWIGL基准题和MINI-CORE基准题进行验证。数值结果显示,基于GPU并行的中子动力学计算方法能保证良好的计算精度,且具有明显的加速效果。     

压水堆各向异性散射的输运修正方法研究

压水堆燃料组件中子输运计算为堆芯扩散计算提供均匀化群常数,所以如何在考虑中子各向异性散射的情况下得到堆芯扩散计算所需的少群均匀化参数是值得研究的。本文推导了中子输运修正计算方法的理论模型,介绍了Inflow输运修正计算方法的数值求解过程,在Bamboo-Lattice程序中进行了程序实现,并采用基准题算例对各种输运修正计算方法进行了对比分析。结果表明:各种输运修正计算方法中,Inflow输运修正方法在保证计算效率的前提下能得到更高的计算精度。     

堆芯Pin-by-pin超级均匀化因子计算方法研究

随着科学研究的不断深入、计算条件和对设计计算精度要求的不断提高,全堆芯Pin-by-pin计算已成为了下一代堆芯数值计算方法研究热点。超级均匀化方法作为全堆芯Pin-by-pin计算的均匀化方法主流方法之一被广泛使用。针对燃料组件采用传统超级均匀化方法,对存在中子泄漏的反射层组件采用空间泄漏相关的超级均匀化方法,产生了包含超级均匀化因子在内的等效均匀化常数。基于三维C5G7基准题,分析了此等效均匀化常数计算方式在非均匀性较强、中子泄漏较大反应堆堆芯的中子学计算精度。数值结果表明:与传统组件均匀化计算方法相比,应用了超级均匀化方法的堆芯Pin-by-pin计算的计算精度更高。     

先进中子学栅格程序KYLIN-Ⅱ输运模块并行优化开发

先进中子学栅格程序KYLIN-Ⅱ的输运计算模块采用了特征线中子输运计算方法，其计算精度较高，可适用于反应堆中复杂的燃料组件，然而当网格规模、能群数、特征线数较大时，计算时间较长，计算效率较低，因此需对其进行并行优化，以提高计算效率。通过性能分析，发现特征线扫描和高阶散射源计算较为耗时。本文通过基于MPI的能群并行、E指数优化、角通量球谐函数展开等方法实现了并行优化。基准题验证表明，并行优化计算精度较高，E指数优化对特征线扫描效率提升较好，角通量球谐函数展开对高阶散射源计算效率提升较好。经过优化后的KYLIN-Ⅱ的输运计算模块加速效果显著，可满足工程使用需求。     

基于改进多区delta-tracking方法的蒙特卡罗中子输运跟踪与临界计算验证

传统蒙特卡罗程序进行中子输运跟踪时，当中子穿越不同材料边界时需频繁大量地计算中子到材料边界的距离，若中子平均自由程大于局部模型的宏观尺寸，则大量的距离计算会显著降低中子输运跟踪效率。为弥补传统中子输运跟踪方法带来的潜在效率降低的缺陷，本文提出了改进多区delta-tracking中子输运跟踪方法，通过引入虚截面来对模型进行多区的虚拟均匀化处理，进而在中子输运跟踪时可不考虑材料边界穿越问题，理论上可提高中子输运跟踪效率。将改进多区delta-tracking中子输运跟踪方法在多功能辐射输运模拟仿真平台MOSRT系统中进行了程序实现。利用基准题和全堆芯模型开展了临界计算验证，证明了本文方法及程序的正确性和有效性。     

热管式空间反应堆燃耗计算研究

针对热管式空间反应堆，基于OpenMC程序产生均匀化截面参数，并由确定论快堆分析程序SARAX进行堆芯输运及燃耗计算。以蒙特卡罗程序（MCNP）的输运计算结果以及MVP程序的燃耗计算结果作为参考解，通过对比稳态输运计算和燃耗计算的结果，证明了耦合的OpenMC和SARAX程序系统对于空间堆中子学分析和燃耗分析的适用性和高效性。为热管式空间反应堆的设计分析提供了参考。      

环形燃料超临界水冷堆中子学计算方法研究

基于先进组件程序HELIOS和堆芯节块法程序SIXTUS,研发了超临界水冷堆（SCWR）的中子学计算程序FENNEL-N,并通过与蒙特卡罗程序对比分析了其用于环形燃料超临界水冷堆计算的精度。组件验证结果表明：制作多群数据库的压水堆能谱与超临界水冷堆能谱的差异是导致计算误差的主要原因。堆芯验证结果表明：传统的组件均匀化方法在计算超临界水冷堆时会引入较大误差。应用FENNEL-N程序对组件均匀化方法进行了研究,结果表明,采用优化的组件参数少群结构能减少堆芯能谱变化对精度的影响,采用超组件模型计算组件参数可考虑反射层对组件参数的影响。采用新的组件均匀化方法后,FENNEL-N的计算精度满足了预概念设计需求。     

一步法输运计算程序KuaFu开发与验证

为了拓展一步法输运计算方法在结构复杂先进反应堆中的应用,基于构建实体几何理论及二维/一维耦合方法,采用C++、Python混合编程开发了一步法输运计算程序KuaFu,并应用粗网有限差分方法（CMFD）、大规模并行技术对二维/一维耦合方法进行加速。通过C5G7基准题对几何建模的可视化功能、并行功能及计算精度进行评估,获得计算结果与蒙特卡罗程序（MCNP）的相对误差。计算结果表明,程序具有较好的可视化功能和用户友好性;KuaFu程序与MCNP参考解符合较好,计算精度良好。      

压水堆重反射层堆芯核热耦合高精度计算分析研究

重反射层的应用可提高反应堆中子经济性,其结构和中子吸收特性均与压水堆常规围板/反射层差异较大,因此对核设计程序的计算分析能力提出了新的要求。为分析重反射层建模方案对堆芯中子学计算结果的影响,使用先进中子学程序SCAP N和确定论堆芯高保真模拟程序NECP X对压水堆重反射层问题进行了高保真模拟,分析了5种反射层建模方案下计算结果的差异,并将高精度计算结果与商用核设计程序系统进行了对比。数值结果表明,重反射层水洞内冷却剂温度变化对计算结果影响较小;相较精确建模方案,重反射层铁水打混建模方案造成的反应性计算偏差在±30 pcm以内、组件相对功率分布计算偏差在±2%以内。     

球床型氟盐冷却高温堆的初步中子学分析

为分析球床型氟盐冷却高温堆（PB-FHR）堆芯的关键中子学参数,建立了显式随机模型,基于随机填充方法计算了燃料球石墨基质内所有三层各向同性包覆颗粒（TRISO）颗粒的空间坐标,并采用离散元方法计算出堆芯活性区内全部燃料球的空间坐标。最后采用蒙特卡罗程序开展中子输运计算,分析燃料颗粒随机分布对堆芯中子学参数的影响。研究结果表明,TRISO颗粒的随机分布对栅元增殖系数、栅元群截面、活性区燃料球功率的影响较小,本文研究可为简化PB-FHR设计提供理论依据。      

Application of Quick Subchannel Analysis Method for Three-Dimensional Pin-by-Pin BWR Core Calculations

Three-dimensional pin-by-pin core analysis is considered to be a candidate for the next-generation BWR core calculation method. In our previous study, the applicability of the transport and burnup calculations for a three-dimensional pin-by-pin BWR core analysis was investigated. However, the thermal-hydraulics calculation has not yet been studied in this framework. In the conventional core analysis code, the bundlewise thermal-hydraulics calculation is adopted. In the actual core analysis, the power distribution inside a fuel assembly is tilted at the region adjacent to a control blade or the core peripheral region. In these regions, the consideration of the subchannel-wise void distribution has an impact on the fission rate distribution. Therefore, an evaluation of the detailed void distribution inside an assembly, i.e., the incorporation of the subchannel wise void distribution, is desirable for the pin-by-pin BWR core analysis. Although several subchannel analysis codes have been developed, these subchannel analysis codes generally require a large computational effort to estimate the subchannel-wise void distribution in a whole BWR core. Therefore, to analyze a whole BWR core within a reasonable computation time, it was necessary to apply a fast subchannel analysis code. In this paper, a quick subchannel analysis code dedicated to pin-by-pin BWR core analysis is newly developed, and the void distribution of the present subchannel analysis code is compared with the prevailing subchannel analysis code NASCA using three-dimensional single-assembly geometries. Since the present subchannel analysis code is used for a coupled neutronics/thermal-hydraulics analysis, the results of the coupling calculation are also compared with those of NASCA. The calculation result indicates that the void distribution difference between NASCA and the present subchannel analysis code is slightly less than 10%. This result indicates that the prediction accuracy of the present subchannel analysis code will be reasonably appropriate for a pin-by-pin BWR core analysis. Furthermore, the results show that the calculation time of the present subchannel analysis code is only 10 min for a hypothetical three-dimensional ABWR quarter-core geometry using a single CPU. This calculation time is sufficient for a pin-by-pin BWR core analysis.     

Development and testing of the code for automatic generating of multi-temperature continuous-energy neutron cross section libraries

In the nuclear reactor design, a code for automatically generated multi-temperature continuous-energy neu- tron cross section data library, which is called AMTND for short, was designed and developed to meet the need of the reactor core design coupled with thermal-hydraulic design. The code can provide a point-wise cross- section at any temperature for a Monte Carlo neutron transport program, such as MCNE In ensuring that the nuclear data produced by AMTND meets the testing of critical benchmark experiments, the time-consumed by the nuclear data generating of AMTND compared with NJOY＇s was carried out and the result shows the code＇s excellence. In order to test the accuracy of the code, out and the results verified the code preliminarily. the Doppler coefficient test benchmark was also carried     

离散纵标输运计算方法在压水堆核电厂41Ar活化源项分析中的应用

压水堆核电厂功率运行期间,反应堆压力容器外的环形空腔空气中所含的⁴⁰Ar被中子活化,形成具有放射性的⁴¹Ar。文章采用二维离散纵标输运计算程序DORT分析了反应堆堆腔区域的中子注量率分布情况,采用NJOY评价核数据处理程序,根据DORT分析得到的通量作为权重通量,利用基础评价核数据库ENDF/B-Ⅶ.0制作⁴⁰Ar中子俘获反应的微观截面,在此基础上,分析了百万千瓦级压水堆核电厂每台机组反应堆堆腔空气中⁴⁰Ar中子活化生成⁴¹Ar的生成率以及电厂⁴¹Ar的环境排放源项。文章给出的⁴¹Ar源项分析方法可作为压水堆核电厂设计中确定⁴¹Ar源项的最佳估算值的参考。     

数字化反应堆高保真中子学程序SHARK研发

SHARK程序是由中国核动力研究设计院新近研发的基于全堆芯确定论非均匀输运理论体系的数字化反应堆软件。该软件从多群数据库的截面与共振数据出发,采用改进子群方法刻画有效共振截面的复杂非均匀效应,采用二维/一维或准三维特征线方法开展堆芯层面非均匀输运计算。目前该程序的定态微观问题计算能力已建立完毕。数值结果显示,SHARK程序对于商用压水堆相关基准问题具有良好的计算精度和效率。     

秦山一期堆本体退役源项估算及辐射场可视化

针对我国秦山一期核反应堆实际情况,利用蒙特卡罗程序建立了细化到燃料棒结构的全堆芯pinby-pin模型进行中子输运计算,并对计算模型的可靠性进行了验证;基于堆本体结构部件的几何参数、材料参数及堆本体中子注量率分布,在假定功率运行史的情况下,利用燃耗计算程序计算了反应堆停堆后的中子活化产物作为堆本体退役源项的估算结果,并对源项产生的三维辐射场剂量分布情况进行了可视化建模与分析,模拟结果与理论分析一致。本研究是下一步建立我国秦山核电厂退役技术安全验证和虚拟仿真平台的关键性基础工作。     

用于pin-by-pin输运计算的SP3解析基函数展开节块方法研究

基于三阶简化球谐函数（SP₃）方法，分别采用3种不同的偏流表达形式，开发了SP₃解析基函数展开节块程序。利用基准例题对程序进行了数值检验，并对3种偏流表达形式的计算精度进行了对比分析。数值结果表明：SP₃解析基函数展开节块方法应用于pin-by-pin输运计算时，能获得较高的棒功率计算精度；3种偏流表达形式中，Marshak偏流表达形式计算精度最高，另外两种偏流表达形式计算精度稍差，但更利于程序算法简化及并行算法设计。